Beschreibungdescription
Strombegrenzungseinrichtung mit stromführenden Hochtempera- tur-SupraleiterbahnenCurrent limiting device with current-carrying high-temperature superconductor tracks
Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzungseinrichtung mit auf einer Platte angeordneten stromführenden Hochtemperatur- Supraleiterbahnen, insbesondere für die Mittelspannungstechnik, wobei die Hochtemperatur-Supraleiterbahnen eine Leiter- bahnstruktur mit unverzweigten Leiterbahnen bilden.The invention relates to a current limiting device with current-carrying high-temperature superconductor tracks arranged on a plate, in particular for medium-voltage technology, the high-temperature superconductor tracks forming a conductor track structure with unbranched conductor tracks.
Eine resistive supraleitende Strombegrenzungseinrichtung bildet eine seriell in einen Stromkreis einzufügende supraleitende Schaltstrecke. Dabei wird der Übergang einer supralei- tenden Leiterbahnstruktur vom praktisch widerstandslosen kalten Betriebszustand unterhalb der Sprungtemperatur Tc des Supraleitermaterial in den normalleitenden Zustand über Tc (sogenannter Phasenübergang oder „Quench") ausgenutzt, wobei der nun vorhandene elektrische Widerstand Rn der Leiterbahn- Struktur den Strom auf eine akzeptable Höhe I=U/Rn begrenzt. Die Erwärmung über die Sprungtemperatur Tc geschieht dabei durch Joule' sehe Wärme in dem Supraleitermaterial selbst, wenn nach Kurzschluss die Stromdichte j über den kritischen Wert jc des Supraleitermaterials ansteigt, wobei das Material auch unterhalb der Sprungtemperatur Tc bereits einen endlichen elektrischen Widerstand annehmen kann. Im begrenzenden Zustand oberhalb der Sprungtemperatur Tc fließt dann in dem die Strombegrenzungseinrichtung enthaltenden Stromkreis nur ein Reststrom weiter, bis ein zusätzlicher mechanischer Trennschalter den Stromkreis völlig unterbricht.A resistive superconducting current limiting device forms a superconducting switching path to be inserted serially into a circuit. The transition of a superconducting conductor structure from the practically resistance-free cold operating state below the transition temperature T c of the superconductor material to the normally conducting state via T c (so-called phase transition or "quench") is used, the electrical resistance R n of the conductor structure now present limits the current to an acceptable level I = U / R n . The heating above the transition temperature T c takes place through Joule 'see heat in the superconductor material itself, if after a short circuit the current density j rises above the critical value j c of the superconductor material, whereby the material can already assume a finite electrical resistance even below the transition temperature T c . In the limiting state above the transition temperature T c , only a residual current then continues to flow in the circuit containing the current limiting device until an additional mechanical disconnector completely interrupts the circuit ht.
Mit einer solchen supraleitenden Strombegrenzungseinrichtung vom' resistiven Typ kann ein Stromanstieg nach einem Kurzschluss auf einen Wert von wenigen Vielfachen eines Nennstro- mes begrenzt werden,- darüber hinaus ist eine solche Begrenzungseinrichtung kurze Zeit nach dem Anschalten wieder betriebsbereit. Sie wirkt also wie eine schnelle,
selbstheilende Sicherung. Außerdem gewährleistet sie eine hohe Betriebssicherheit, da sie passiv wirkt, d.h. autonom ohne vorherige Detektion des Kurzschlusses und ohne aktive Auslösung durch ein Schaltsignal arbeitet.With such a superconducting current limiting device of the 'resistive type', a current rise after a short circuit can be limited to a value of a few multiples of a nominal current - moreover, such a limiting device is ready for operation again shortly after being switched on. So it acts like a quick, self-healing fuse. In addition, it ensures a high level of operational safety because it acts passively, ie it works autonomously without prior detection of the short circuit and without active triggering by a switching signal.
Für die Leiterbahnstruktur bekannter Strombegrenzungseinrichtungen wird bevorzugt metalloxidisches Hoch-Tc-Supraleiterma- terial (HTS-Material) eingeplant, dessen Sprungtemperatur Tc so hoch liegt, dass es mit flüssigem Stickstoff von 77 K im supraleitenden Betriebszustand zu halten ist. Dieses Material zeigt eine schnelle Zunahme des elektrischen Widerstandes beim Überschreiten der kritischen Stromdichte jc. Die Erwärmung in den normalleitenden Zustand und somit die Strombegrenzung geschieht dabei in verhältnismäßig kurzer Zeit, so dass der Spitzenwert des Kurzschlussstromes auf einen Bruchteil des unbegrenzten Stromes, etwa auf den 3 bis lOfachen Nennstrom begrenzt werden kann. Der supraleitende Strompfad der Leiterbahnstruktur ist dabei in Kontakt mit dem Kühlmittel, das ihn in verhältnismäßig kurzer Zeit nach einer Über- schreitung der kritischen Stromdichte jc in den supraleitenden Betriebszustand zurückzuführen vermag.Metal oxide high-T c superconductor material (HTS material) is preferably planned for the conductor track structure of known current limiting devices, the transition temperature T c of which is so high that it can be kept in the superconducting operating state with liquid nitrogen of 77 K. This material shows a rapid increase in electrical resistance when the critical current density j c is exceeded. The heating to the normally conductive state and thus the current limitation takes place in a relatively short time, so that the peak value of the short-circuit current can be limited to a fraction of the unlimited current, for example 3 to 10 times the nominal current. The superconducting current path of the conductor track structure is in contact with the coolant, which is able to return it to the superconducting operating state in a relatively short time after the critical current density j c has been exceeded.
Eine Strombegrenzungseinrichtung der eingangs definierten Art ist beispielsweise durch die WO 00/04589 bekannt. Die Strom- begrenzungseinrichtung enthält isolierende Tragekörper inA current limiting device of the type defined at the outset is known, for example, from WO 00/04589. The current limiting device contains insulating support bodies in
Form von Platten, auf denen Hochtemperatur-Supraleiterbahnen angeordnet sind. Die Hochtemperatur-Supraleiterbahnen selbst sind linienförmig ausgebildet und miteinander verbunden. Die Hochtemperatur-Supraleiterbahnen weisen dementsprechend gera- de und gebogene Leiterbahnabschnitte auf.Form of plates on which high-temperature superconductor tracks are arranged. The high-temperature superconductor tracks themselves are linear and interconnected. The high-temperature superconductor tracks accordingly have straight and curved conductor track sections.
Zur Optimierung der maximalen Schaltleistung ist hier vorgeschlagen, die gebogenen Leiterbahnabschnitte der Strombegrenzungseinrichtung bezüglich ihrer Außen- und Innenradien in einem bevorzugten Verhältnis zueinander auszuführen.In order to optimize the maximum switching capacity, it is proposed here to design the curved conductor track sections of the current limiting device with respect to one another in terms of their outer and inner radii.
Auch das Verhältnis der Radien zur Leiterbahnbreite selbst ist in bestimmten Grenzen zu halten, da es sonst zu uner-
wünscht hohen Wärmeentwicklungen an den Innenseiten der Radien der supraleitenden Schichten kommen kann. Zu hohe thermische Belastungen können zum Durchbrennen der Leiterbahnen und zu Beschädigungen derselben und deren Tragekörper führen, so dass die Supraleiterstruktur unbrauchbar und der Strombegrenzer nicht mehr funktionsfähig ist. Ursache dafür sind, bedingt durch Inhomogenitäten oder Fehlerstellen innerhalb der Struktur der Hochtemperatur-Supraleiterbahnen, unerwünscht lokal ablaufende Quenchvorgänge, bei denen an den lo- kalen hochohmigen Bereichen die gesamte anliegende Spannung abfällt und somit die gesamte über die Leiterbahn geführte elektrische Leistung dort in Wärme umgewandelt wird. Die lokalen Stellen werden somit überhitzt, ggf. aufgeschmolzen und über den dann entstehenden Lichtbogen gänzlich zerstört.The ratio of the radii to the track width itself must also be kept within certain limits, otherwise it would be too desires high heat development on the inside of the radii of the superconducting layers. Excessive thermal loads can cause the conductor tracks to burn through and damage them and their supporting bodies, so that the superconductor structure is unusable and the current limiter is no longer functional. The reason for this is, due to inhomogeneities or flaws within the structure of the high-temperature superconductor tracks, undesired locally occurring quench processes, in which the entire applied voltage drops at the local high-resistance areas and thus the entire electrical power conducted over the track is converted there into heat becomes. The local points are thus overheated, melted, if necessary, and completely destroyed by the resulting arc.
Durch Inhomogenitäten der Schicht der Hochtemperatur-Supra- leiterbahnen wird also der sogenannte Quenchvorgang nicht - wie beabsichtigt - gleichzeitig über die gesamte Länge der Hochtemperatur-Supraleiterbahnen sondern nur lokal im Fehler- bereich der Schicht eingeleitet.As a result of inhomogeneities in the layer of the high-temperature superconductor tracks, the so-called quenching process is not - as intended - initiated simultaneously over the entire length of the high-temperature superconductor tracks but only locally in the fault area of the layer.
Die Strombegrenzungseinrichtung ist dementsprechend nicht mehr voll funktionsfähig bzw. für den bestimmungsgemäßen Gebrauch nicht mehr einsatzfähig.Accordingly, the current limiting device is no longer fully functional or is no longer usable for the intended use.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Strombegrenzungseinrichtung hinsichtlich ihrer Belastung im Kurzschlussfall so auszulegen, dass Beeinträchtigungen durch Inhomogenitäten der Schichten der Hochtemperatur-Supra- leiterbahnen weitestgehend gemindert sind, und darüber hinaus die Anpassung der Strombegrenzungseinrichtung an die unterschiedlichen Strom- und Spannungsbelastungen der Mittelspannungstechnik in einfacher Weise zu ermöglichen.The object on which the invention is based is to design a current limiting device with regard to its load in the event of a short circuit in such a way that impairments due to inhomogeneities in the layers of the high-temperature superconductor tracks are largely reduced, and furthermore the adaptation of the current limiting device to the different current and voltage loads in medium-voltage technology in a simple way.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale
1.1 die Leiterbahnstruktur LBS der Hochtemperatur-Supralei- terbahnen HTSL ist durch eine seriell und parallel verzweigte Linienstruktur LST ersetzt,According to the invention, this is due to the features 1.1 the conductor track structure LBS of the high temperature super conductor tracks HTSL is replaced by a series and parallel branched line structure LST,
1.2 die seriell und parallel verzweigte Linienstruktur LST ist durch Vervielfachung eines Linienelements LE ... mit geometrisch identischer Grundstruktur erreicht, gelöst.1.2 the serial and parallel branched line structure LST is achieved by multiplying a line element LE ... with a geometrically identical basic structure.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, zur Überwindung der bekannten Schwierigkeiten von den bisher bevorzugten unverzweigten Linienstrukturen für die Hochtemperatur-Supralei- terbahnen der Strombegrenzungseinrichtung abzugehen und dafür die positiven Eigenschaften einer verzweigten Linienstruktur auf die Ausgestaltung der Hochtemperatur-Supraleiterbahnen zu übertragen. Der besondere Vorteil dieser verzweigten Linienstruktur ist darin zu sehen, dass sich der geführte Strom über mehrere Leiterbahnen anstatt nur über eine einzige verteilt ausbreitet. Der Strom ist demnach gleichmäßiger über die gesamte Plattenfläche der Strombegrenzungseinrichtung verteilt.The invention is based on the knowledge that, in order to overcome the known difficulties, the previously preferred unbranched line structures for the high-temperature superconductor tracks of the current limiting device have to be abandoned and the positive properties of a branched line structure have to be transferred to the design of the high-temperature superconductor tracks. The particular advantage of this branched line structure can be seen in the fact that the current carried is distributed over several conductor tracks instead of only one. The current is accordingly more evenly distributed over the entire plate surface of the current limiting device.
Kommt es hier wegen vorhandener Inhomogenität der Schicht der Hochtemperatur-Supraleiterba nen an einer lokal begrenzten Stelle zu einem unerwünschten Quenchvorgang, so ist der Span- nungsabfall proportional zur Anzahl der parallelen Leiterbahnen aufgeteilt und die an der hochohmigen Quenchstelle eingebrachte Wärmeenergie dementsprechend geringer. Die Möglichkeit der lokalen Überhitzung und die damit verbundene Zerstörung der Supraleiterbahnen und ggf .auch der Platten ist damit erheblich herabgesetzt.If there is an undesirable quenching process due to the inhomogeneity of the layer of high-temperature superconductor layers at a locally limited location, the voltage drop is divided proportionally to the number of parallel conductor tracks and the thermal energy introduced at the high-resistance quenching point is correspondingly lower. The possibility of local overheating and the associated destruction of the superconductor tracks and possibly also of the plates is thus considerably reduced.
Eine weiterführende Steigerung der Anzahl parallel liegender Leiterbahnen ist erfindungsgeäß durch die MerkmaleA further increase in the number of conductor tracks lying in parallel is according to the invention due to the features
2.1 die Leiterbahnstruktur der Hochtemperatur-Supraleiterbah- nen ist durch eine geschlossene Netzwerkstruktur ersetzt,2.1 the conductor track structure of the high-temperature superconductor tracks is replaced by a closed network structure,
2.2 die Netzwerkstruktur ist mit leistungsbedarfsangepassten Grundelementausnehmungen versehen, und
2.3 die Grundelementausnehmungen sind innerhalb der Netzwerkstruktur derart verteilt angeordnet, dass die Hochtemperatur- Supraleiterbarmen vollflächig parallel und seriell verzweigte Leitungszüge mit annähernd gleich großen Flächen bilden, erreicht.2.2 the network structure is provided with basic element recesses adapted to the power requirement, and 2.3 the basic element recesses are arranged distributed within the network structure in such a way that the high-temperature superconductor bars form parallel and serial branched lines with approximately the same size.
Mit der Überführung der unverzweigte Leiterbahnstruktur in eine gänzlich geschlossenen Netzwerkstruktur mit den leistungsbedarfsangepaßten Grundelementausnehmungen wird der Grad der Leistungsoptimierung für die Leiterbahnen hinsichtlich ihrer Parallelanordnung und Verteilung auf der gesamten Platte noch zusätzlich geteigert . Werden die stromführenden Leiterbahnen so gestaltet, dass sich in jedem Knotenpunkt kurze gerade Leiterbahnabschnitte als Verbindungsstege zu den benachbarten Leiterbahnabschnitten und deren Knotenpunkte ergeben, so wird bei einem Quenchvorgang der Temperaturanstieg in einem Leiterbahnabschnitt unmittelbar auch an dessen benachbarte VerbindungsStege übertragen und führt dort ebenfalls zur Temperaturerhöhung. Der Quenchvorgang wird durch diesen Lawineneffekt praktisch vollflächig eingeleitet.With the transfer of the unbranched conductor track structure into a completely closed network structure with the basic element recesses adapted to the power requirement, the degree of performance optimization for the conductor tracks with regard to their parallel arrangement and distribution over the entire board is further increased. If the current-carrying conductor tracks are designed so that short straight conductor track sections result in each node as connecting bridges to the adjacent conductor track sections and their nodes, then during a quenching process the temperature rise in a conductor track section is also transmitted directly to its adjacent connecting bars and also leads to a temperature increase there. The quenching process is initiated practically over the entire area by this avalanche effect.
Erfolgt bei der geschlossenen Netzwerkstruktur der Quenchvorgang dagegen nur im Bereich einer lokalen Leiterbahn mit fehlerbehafteter Leiterbahnstruktur, so wird dort nur der antei- lige Strom- und Spannungwert in Wärme umgesetzt, die aufgrund der umgebenen freien Flächen gut abgeführt werden kann.If, on the other hand, the quenching process takes place in the closed network structure only in the area of a local conductor track with a faulty conductor track structure, only the proportional current and voltage value is converted into heat there, which can be dissipated well due to the surrounding free areas.
Der Quenchvorgang verläuft über die gesamte Platte gesehen insgesamt weicher, d.h. zeitlich gedehnt und über die Fläche der Platte gesehen annähernd gleichmäßig verteilt.The quenching process is softer overall, i.e. stretched in time and distributed approximately evenly over the surface of the plate.
Darüber hinaus ist mit der praktisch wabenförmigen geschlossenen Netzwerkstruktur bei gleichen äußeren Abmessungen der Platten eine variable Ausgestaltung der Geometrie der Leiter- bahnen und damit eine flexible Anpassung an die Leistungsanforderungen für die Strombegrenzungseinrichtungen erreicht.
Gemäß von vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung sind alternativ die MerkmaleIn addition, with the practically honeycomb closed network structure with the same outer dimensions of the plates, a variable configuration of the geometry of the conductor tracks and thus a flexible adaptation to the power requirements for the current limiting devices is achieved. According to advantageous embodiments of the invention, the features are alternatively
3.1 die Grundelementausnehmungen weisen eine eckige Umfangs- struktur , vorzugsweise eine Dreieck-, Viereck-, Hexagon- oder Oktogonstruktur, auf und3.1 the basic element recesses have an angular circumferential structure, preferably a triangle, square, hexagon or octagon structure, and
4.1 die Grundelementausnehmungen weisen eine beliebige Um- fangsstruktur auf, vorgesehen.4.1 the basic element recesses have any peripheral structure, provided.
Die Grundelementausnehmungen innerhalb der geschlossenenThe basic element recesses within the closed
Netzwerkstruktur ermöglichen somit eine optimale Anpassung an die Leistungsanforderungen für die Strombegrenzungseinrichtungen, wobei die funktionsbedingt entstehende Verlustwärme optimal auf der gesamten Plattenfläche der jeweiligen Strom- begrenzungseinrichtungen verteilt ist.Network structures thus enable an optimal adaptation to the power requirements for the current limiting devices, the heat loss resulting from the function being optimally distributed over the entire plate area of the respective current limiting devices.
Als wesentlich für die Erfindung ist außerdem hervorzuheben, dass sich die Strombegrenzungseinrichtungen mit ihren Hoch- temperatur-Supraleiterbahnen sowohl in Dünnfilmschichttechnik auf den Trägersubstraten als auch in sogenannter Dickfilmschichttechnik, beispielsweise zwischen Metallschichten, realisieren lassen.It should also be emphasized as essential for the invention that the current limiting devices with their high-temperature superconductor tracks can be implemented both in thin-film layer technology on the carrier substrates and in so-called thick-film layer technology, for example between metal layers.
Erfindungsgemäß verfügt die Strombegrenzungseinrichtung über Endstücke zur Kontaktierung der Leiterbahnstruktur, wobei die Leiterbahnstruktur mindestens einen Hauptstrompfad aufweist, der in der Hauptausdehnungsrichtung der Leiterbahnstruktur gesehen in mehrere hintereinander liegende, gleichgestaltete Teilstücke unterteilt ist, welche jeweils zwei parallel geschaltete Zweige bilden, wobei die Parallelschaltung derAccording to the invention, the current limiting device has end pieces for contacting the conductor track structure, the conductor track structure having at least one main current path which, viewed in the main direction of expansion of the conductor track structure, is subdivided into a plurality of identical parts arranged one behind the other, each of which forms two branches connected in parallel, the parallel connection of
Zweige im Verbindungsbereich zwischen jeweils hintereinander liegenden Teilstücken erfolgt.Branches are made in the connection area between successive sections.
Bei einer diesbezüglichen Weiterentwicklung ist die Gestalt der Teilstücke im Wesentlichen rennbahnformig oder oval oder bogenf rmig .
Gemäß einer Variante haben die Teilstücke quer zur Hauptausdehnungsrichtung der Leiterbahnstruktur eine größere Ausdehnung als in dieser Richtung.In the case of a further development in this regard, the shape of the sections is essentially racetrack-shaped or oval or arch-shaped. According to one variant, the sections have a greater extent transverse to the main direction of expansion of the conductor track structure than in this direction.
Ferner ist es möglich, dass in jedem Zweig die Leiterbahn zwei quer zur Hauptausdehnungsrichtung der Leiterbahnstruktur verlaufende Schenkelteile aufweist, die durch einen seitlichen Bogenteil ineinander übergehen, und dass die Leiterbahnbreite in dem Bogenteil mindestens gleich der Leiterbahnbreite in den Schenkelteilen ist und vorzugsweise zwischen dem 1,1fachen und dem 1,2fachen der Leiterbahnbreite in den Schenkelteilen liegt.Furthermore, it is possible that in each branch the conductor track has two leg parts running transversely to the main direction of expansion of the conductor track structure, which merge into one another by a lateral arc part, and that the conductor track width in the arc part is at least equal to the conductor track width in the leg parts and preferably between the 1st 1 times and 1.2 times the track width in the leg parts.
Die zuvor beschriebenen Varianten können darüber hinaus im Rahmen der Erfindung beliebig miteinander kombiniert werden.The variants described above can also be combined with one another as desired within the scope of the invention.
Die Erfindung wird durch ein figürlich dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobeiThe invention is explained in more detail by an exemplary embodiment shown in the figures, wherein
Figur 1 die unverzweigte Leitungsstruktur der Hochtempe- ratur-Supraleiterbahnen der bekannten1 shows the unbranched line structure of the high-temperature superconductor tracks of the known
Strombegrenzungseinrichtung zeigt, Figur 2 die verzweigte Linienstruktur einer möglichenCurrent limiting device shows, Figure 2 shows the branched line structure of a possible
Ausführungsform der Erfindung abbildet, Figur 3 die geschlossene Netzwerkstruktur einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung erkennen läßt, Figuren 4, 5 Kombinationen von unverzweigten Leiterbahnen mit in sich verzweigter Linienstruktur und in sich geschlossener Netzwerkstruktur darstellen.3 shows the closed network structure of a further possible embodiment of the invention, FIGS. 4, 5 represent combinations of unbranched conductor tracks with a branched line structure and a closed network structure.
Figur 6 eine Grundform der Leiterbahnstruktur,FIG. 6 shows a basic form of the conductor track structure,
Figur 7 eine spezielle Ausführungsform der Leiterbahn aus einer Leiterbahnstruktur und Figur 8 eine spezielle Weiterbildung aus der Grundform gemäß Figur 6.
Die Figur 1 zeigt eine bekannte Strombegrenzungseinrichtung mit auf einer Platte PL unverzweigt angeordneter Leiterbahnstruktur LBS . Die Platte PL ist durch ein sogenanntes Trägersubstrat TS realisiert, auf dem die Hochtemperatur - Supra- leiterbahn HTSL in Dünnfilmschichttechnik DUS aufgetragen ist .FIG. 7 shows a special embodiment of the conductor track from a conductor track structure and FIG. 8 shows a special further development from the basic shape according to FIG. 6. FIG. 1 shows a known current limiting device with a conductor track structure LBS arranged unbranched on a plate PL. The plate PL is realized by a so-called carrier substrate TS, on which the high-temperature superconductor HTSL is applied using thin-film DUS technology.
Die Figur 2 läßt im wesentlichen die seriell und parallel verzweigte Linienstruktur LST der Hochtemperatur-Supraleiter- bahnen erkennen. Die verzweigte Linienstruktur LST wird praktisch durch die Vervielfachung des Linienelements LE mit geometrischer identischer Grundstruktur auf der Platte PL erreicht .FIG. 2 essentially shows the serial and parallel branched line structure LST of the high-temperature superconductor tracks. The branched line structure LST is practically achieved by multiplying the line element LE with a geometrically identical basic structure on the plate PL.
Die erfindungsgemäße Hochtemperatur-Supraleiterbahn HTSL gemäß der Figur 3 ist ebenfalls verzweigt und weist insgesamt eine geschlossene Netzwerkstruktur GNW auf, die sich im wesentlichen durch die symmetrische Verteilung der Grundelementausnehmungen GA über die gesamte Platte PL der Strombe- grenzungseinrichtung ergibt. Mit den Grundelementausnehmungen GA sind die Hochtemperatur-Supraleiterbahnen HTSL praktisch wie in einem Netzwerk parallel und seriell direkt miteinander verknüpft, so dass sich zwischen den jeweils benachbarten Grundelementausnehmungen GA die mit den Pfeilen angedeuteten Teilströme gleichmäßig verteilen. Daraus resultiert eine über die gesamte Fläche der geschlossenen Netzwerkstruktur GWN annähernd gleich verteilte Strom- und Spannungsbelastung im Betriebszustand der Strombegrenzungseinrichtung. Damit ist sichergestellt, dass - bedingt durch Inhomogenitäten innerhalb Hochtemperatur-Supraleiterbahn-Schicht vereinzelt auftretende Quenchvorgänge in ihren schädlichen Auswirkungen auf ein Minimum begrenzt sind, da im Gegensatz zu den streng linienför- migen Leitungsstrukturen bei der geschlossenen Netzwerkstruktur GNW durch die Aufteilung in Teilströmen lokale Fehler- stellen auch nur entsprechend gering belastet sind. Die lokale Wärmebelastung ist also geringer und kann im Hinblick auf die größeren fehlerfreien Restflächen der Spannungsbe-
grenzungseinrichtung ohne nennenswerte Schwierigkeiten in kurzer Zeit abgeführt werden.The high-temperature superconductor track HTSL according to the invention according to FIG. 3 is also branched and has an overall closed network structure GNW, which essentially results from the symmetrical distribution of the basic element recesses GA over the entire plate PL of the current limiting device. With the basic element recesses GA, the high-temperature superconductor tracks HTSL are practically and directly linked in parallel and in series, as in a network, so that the partial flows indicated by the arrows are evenly distributed between the adjacent basic element recesses GA. This results in an approximately equally distributed current and voltage load over the entire area of the closed network structure GWN in the operating state of the current limiting device. This ensures that, due to inhomogeneities within the high-temperature superconductor layer, the harmful effects of the occasional quench process are limited to a minimum, because in contrast to the strictly linear line structures in the closed network structure GNW, local errors are caused by the division into partial currents - places are only correspondingly lightly loaded. The local heat load is therefore lower and, with regard to the larger error-free residual areas of the stress boundary device can be removed in a short time without significant difficulties.
Die geschlossene Netzwerkstruktur GNW kann für die Strombe- grenzungseinrichtungen sowohl in Dünnfilmtechnik im Zusammenhang mit Substraten als auch in Dickfilmtechnik mit und ohne Substrate angewendet werden.The closed network structure GNW can be used for the current limiting devices both in thin film technology in connection with substrates and in thick film technology with and without substrates.
Mit den Figuren 4 und 5 ist angedeutet, dass zur Realisierung der Spannungsbegrenzungseinrichtungen in Verbindung mit flexibler Anpassung an die unterschiedlichen Leistungsanforderungen auch Hochtemperatur-Supraleiterbahnen in Form von Linien mit in sich überwiegend geschlossener Netzwerkstruktur denkbar wären .FIGS. 4 and 5 indicate that high-temperature superconductor tracks in the form of lines with a largely closed network structure would also be conceivable to implement the voltage limiting devices in conjunction with flexible adaptation to the different performance requirements.
Figur 6 verdeutlicht eine Strombegrenzungseinrichtung mit einem Substrat 2 und einer Leiterbahnstruktur aus HTS-Material, deren Grundform in der Figur 6 allgemein mit 3 bezeichnet ist. Diese Struktur 3 weist gemäß dem dargestellten Aus- führungsbeispiel nur einen einzigen Strompfad SI zwischen zwei Endstücken 4a und 4b auf, an denen die Struktur zu kontaktieren ist. In der durch eine gepfeilte Linie angedeuteten Hauptausdehnungsrichtung r der Leiterbahnstruktur 3 bzw. des Strompfades SI soll dieser in mehrere, gleichgestaltete Teil- stücke 5j (mit j=l....n) unterteilt sein. Jedes dieser Teilstücke 5j umfasst zwei durch gestrichelte Linien veranschaulichten Stromzweige ZI und Z2. Diese Stromzweige sind in Verbindungsbereichen 6j zwischen jeweils hintereinander angeordneten Teilstücken 5j parallel geschaltet. Die Struktur 3 bildet auf diese Weise zwei zu einer mittleren, zwischen denFIG. 6 illustrates a current limiting device with a substrate 2 and a conductor track structure made of HTS material, the basic shape of which is generally designated by 3 in FIG. 6. According to the exemplary embodiment shown, this structure 3 has only a single current path SI between two end pieces 4a and 4b, on which the structure is to be contacted. In the main direction of expansion r of the conductor track structure 3 or of the current path SI, indicated by an arrowed line, the latter should be subdivided into several, identically designed sections 5j (with j = l .... n). Each of these sections 5j comprises two current branches ZI and Z2 illustrated by dashed lines. These current branches are connected in parallel in connection areas 6j between sections 5j arranged one behind the other. The structure 3 in this way forms two to a middle, between the
Endstücken 4a und 4b verlaufenden Verbindungs- oder Mittellinie oder Mittelachse A spiegelsymmetrische Mäander, die an den Endstücken 4a und 4b sowie in den Verbindungsbereichen 6j miteinander verbunden sind bzw. dort ineinander übergehen. Einer der Mäander ist in der Figur durch eine punktierte Linie M ein Stück weit veranschaulicht.
Wie aus Figur 6 ferner hervorgeht, ist die Gestalt der Teilstücke 5j auf Grund ihrer Verzweigung in die Zweige ZI und Z2 im wesentlichen rennbahnformig, wobei die größere Ausdehnung quer zur Hauptausdehnungsrichtung r der Leiterbahnstrukturen 3 liegt. Gegebenenfalls können aber auch andere Formen, beispielsweise eine ovale oder bogenförmige Gestalt, gewählt werden. In jedem der Zweige ZI und Z2 weist folglich die mit L bezeichnete Leiterbahn zwei quer zur Hauptausdehnungs- richtung r verlaufende Schenkelteile 7a und 7b auf, die über einen seitlichen Bogenteil 8 miteinander verbunden sind bzw. dort ineinander übergehen. Im Bereich der gedachten Mittellinie A gehen die Schenkelteile 7a und 7b in den jeweiligen Verbindungsbereich 6j der Teilstücke 5j über.End pieces 4a and 4b connecting or center line or center axis A mirror-symmetrical meanders, which are connected to one another at the end pieces 4a and 4b and in the connecting areas 6j or merge there. One of the meanders is illustrated to some extent in the figure by a dotted line M. As can also be seen from FIG. 6, the shape of the sections 5j is essentially race track-shaped due to their branching into the branches ZI and Z2, the greater extent being transverse to the main direction of expansion r of the conductor track structures 3. If necessary, however, other shapes, for example an oval or arcuate shape, can also be selected. In each of the branches ZI and Z2, the conductor track labeled L consequently has two leg parts 7a and 7b which run transversely to the main direction of expansion r and which are connected to one another via a lateral arch part 8 or merge into one another there. In the area of the imaginary center line A, the leg parts 7a and 7b merge into the respective connecting area 6j of the sections 5j.
Die Leiterbahnstruktur 3 ist charakterisiert durch die Anzahl Nm sowie die Bahnbreite Bm und die Schenkellänge Ls der beiden Mäander. Dabei sind die Anzahl Nm und die Schenkellänge Ls dadurch miteinander verknüpft, dass ihr Produkt kleiner sein muss als die nutzbare Breite b des Substrats 2.The conductor track structure 3 is characterized by the number N m and the track width B m and the leg length L s of the two meanders. The number N m and the leg length L s are linked to one another in that their product must be smaller than the usable width b of the substrate 2.
Die Leiterbahnbreite Bb in dem Bogenteil 8 jedes Mäanders M muss mindestens gleich der Bahnbreite Bra in dem Schenkelteil 7a bzw. 7b sein. Außerdem sollte die Bahnbreite Bv in dem Verbindungsbereich 6j der Mäander bzw. der Teilstücke 5j mindestens zweimal Bm betragen. Vorteilhaft werden gewählt:The conductor track width B b in the arch part 8 of each meander M must be at least equal to the track width B ra in the leg part 7a or 7b. In addition, the web width B v in the connection area 6j of the meanders or the sections 5j should be at least twice B m . The following are advantageously chosen:
Bb = 1, 1 1 , 2 x Bm , ■ B b = 1, 1 1, 2 x B m , ■
Bv = 2,2 ....2,4 x Bm (mit „x" = Multiplikationssymbol). Damit ist zu gewährleisten, dass die Schenkelteile 7a und 7b vor den Bogenteilen 8 und den Verbindungsbereichen 6j normalleitend werden. Vorteilhaft wird dadurch eine Reduktion der Temperaturüberhöhungen an den Bogenteilen und den Verbindungsbereichen erreicht.B v = 2.2 .... 2.4 x B m (with "x" = multiplication symbol). This ensures that the leg parts 7a and 7b in front of the arch parts 8 and the connecting areas 6j become normally conductive. This is advantageous a reduction in the temperature increases at the arch parts and the connection areas.
Durch Variation der Bahnbreite Bm und der Schenkellänge Ls der verwendeten Mäander M bzw. Teilstücke 5j lässt sich auf rechteckigen Substraten 2 der Länge 1 und der Breite b jedes beliebige Verhältnis leff/beff > 1/b der effektiven Länge leff
zur effektiven Breite beff der Leiterbahnstruktur 3 einstellen. Die effektive Länge leff der Leiterbahnstruktur ist dabei die gesamte Länge des Strompfades entlang eines Mäanders M. Sie bestimmt die maximale Spannung, bei welcher die schal- tende Leiterbahnstruktur eingesetzt werden kann. Analog ist die effektive Breite beff der gesamte dem zu schaltenden Strom zur Verfügung stehende Leiterbahnquerschnitt (also Nra x Bm, wobei Nm die Anzahl der Mäander ist und gemäß Figur6 gleich 2 ist) . Sie bestimmt den kritischen Strom Ic und somit den Nennstrom in der schaltenden Leiterbahnstruktur. Durch Wahl einer Struktur mit einer geeigneten effektiven Länge leff und/oder effektivem Breite beff kann eine schaltende Leiterbahnstruktur an eine gewünschte Nennspannung und/oder an einen gewünschten Nennstrom angepasst werden.By varying the web width B m and the leg length L s of the meanders M or sections 5j used, any desired ratio l e ff / b e ff> 1 / b of the effective length l can be obtained on rectangular substrates 2 of length 1 and width b e ff set to the effective width b eff of the conductor track structure 3. The effective length l e ff of the conductor track structure is the entire length of the current path along a meander M. It determines the maximum voltage at which the switching conductor track structure can be used. Analogously, the effective width b e ff is the total conductor cross-section available to the current to be switched (that is to say N ra x B m , where N m is the number of meanders and is equal to 2 according to FIG. 6). It determines the critical current I c and thus the nominal current in the switching conductor structure. By selecting a structure with a suitable effective length l eff and / or effective width b e ff, a switching conductor track structure can be adapted to a desired nominal voltage and / or a desired nominal current.
Ein Verhältnis leff/beff ~ 5 x 1/b ergibt sich, wenn man als Grenzfall einen Mäander annimmt, der keine geraden Leiterbahnteile mehr enthält, also nur noch aus 180° -Bögen besteht. In Figur 7 ist ein solcher Mäander Mx als Detailbild einer Leiterbahn LΛ einer erfindungsgemäß gestalteten Strombegrenzungseinrichtung angedeutet. Wenn man für das Verhältnis von Außen- zu Innenradius der Bögen der Leiterbahn Lλ die Größe 3 annimmt, kommt man auf das vorgenannte Verhältnis von leff/bef - Man kann sich natürlich auch einen Mäander vorstel- len, der nicht aus 180° -Bögen, sondern aus Bögen mit kleineren Winkeln zusammengesetzt ist. Bei einer entsprechenden Ausführungsform ergäbe sich dann als Grenzfall eine gerade Leiterbahn und damit leff/beff = 1/b. Bei Einhaltung der vorerwähnten Ungleichung werden gleichzeitig alle vorgenannten Kriterien erfüllt und eine Flächennutzung von deutlich überA ratio l ef f / b ef f ~ 5 x 1 / b results if, as a borderline case, one assumes a meander which no longer contains straight conductor track parts, i.e. which only consists of 180 ° bends. Such a meander M x is indicated in FIG. 7 as a detailed image of a conductor track L Λ of a current limiting device designed according to the invention. If you assume size 3 for the ratio of the outside to the inside radius of the arcs of the conductor track L λ , you get the aforementioned ratio of l eff / bef - you can of course also imagine a meander that does not extend from 180 ° - Arches, but is composed of arches with smaller angles. In a corresponding embodiment, a straight conductor path would result as a limit case and thus l e ff / b e f f = 1 / b. If the above-mentioned inequality is observed, all of the above criteria are met at the same time and a land use of significantly more
50 % erreicht. Vorteilhaft ist es, verhältnismäßig kleine Bahnbreiten Bm von insbesondere etwa 1 mm oder darunter und auch kleine Mäanderradien vorzusehen, da dann eine Aufheizung des Substrates 2 gleichmäßiger erfolgt .50% reached. It is advantageous to provide relatively small web widths B m, in particular approximately 1 mm or less, and also small meandering radii, since the substrate 2 is then heated more evenly.
Eine Leiterbahnstruktur einer erfindungsgemäßen Strombegrenzungseinrichtung hat vorteilhaft mehrere,
vorzugsweise mindestens drei Hauptstrompfade gemäß Figur 6. Diese Strompfade sind dann zwischen den Endstücken 4a und 4b parallel geschaltet. Dabei ist es als besonders vorteilhaft anzusehen, wenn jeweils benachbarte Hauptstrompfade in seit- liehen Übergangsbereichen zwischen jeweils benachbarten Zweigen ZI und Z2 elektrisch untereinander verbunden sind bzw. dort ineinander übergehen. Figur 8 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel mit drei Hauptstrompfaden Sj (mit Nm = j = 1....3), obwohl die Anzahl j auch deutlich größer gewählt werden kann. Die gemeinsamen Übergangsbereiche zwischen den Hauptstrompfaden an den seitlichen Bogenteilen 8 und 8 benachbarter Zweige ZI und Z2 sind in der Figur mit llj bezeichnet.
A conductor track structure of a current limiting device according to the invention advantageously has several preferably at least three main current paths according to FIG. 6. These current paths are then connected in parallel between the end pieces 4a and 4b. It is to be regarded as particularly advantageous if adjacent main current paths in the lateral transition areas between adjacent branches ZI and Z2 are electrically connected to one another or merge there. FIG. 8 shows a corresponding exemplary embodiment with three main current paths S j (with N m = j = 1 ... 3), although the number j can also be selected to be significantly larger. The common transition areas between the main current paths on the lateral arc parts 8 and 8 of adjacent branches ZI and Z2 are denoted in the figure by IIj.